ES2821727T3

ES2821727T3 - Estructura en nido de abeja de material cerámico y procedimiento de fabricación asociado

Info

Publication number: ES2821727T3
Application number: ES19159774T
Authority: ES
Inventors: Guy Sola; Bastien Gardelle
Original assignee: Dassault Aviation SA
Current assignee: Dassault Aviation SA
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: EP3530633A1; FR3078330A1; FR3078330B1; EP3530633B1

Abstract

Estructura en nido de abeja (16) de material cerámico que comprende una pluralidad de celdillas (22), comprendiendo cada celdilla (22) una pared periférica (26) que delimita una cavidad pasante (32), de manera que la cavidad pasante (32) desemboca en una primera cara (18) y en una segunda cara (20) respectivamente en una primera abertura (34) y en una segunda abertura (36), en la que al menos una celdilla (22) comprende un reborde (38) que forma una pieza única con la pared (26) de la celdilla (22) y en saliente a partir de dicha pared (26) en al menos una de las aberturas (34, 36).

Description

DESCRIPCIÓN

Estructura en nido de abeja de material cerámico y procedimiento de fabricación asociado

[0001] La presente invención se refiere a una estructura en nido de abeja según la reivindicación 1.

[0002] La estructura en nido de abeja está destinada especialmente a formar una parte de una pieza estructural de aeronave, en particular de una pieza destinada a ser colocada en una parte caliente de la aeronave, como el motor o la salida de una tobera, o en el cuerpo trasero de una aeronave.

[0003] Los pliegos de condiciones imponen en general especificaciones muy estrictas para dicha pieza estructural. La pieza debe presentar especialmente la densidad más baja, buenas propiedades termomecánicas para resistir las fuertes exigencias experimentadas por la aeronave, especialmente los cambios de temperatura y de presión importantes y las aceleraciones.

[0004] Además, la pieza debe poder presentar formas tridimensionales complejas, especialmente presentar partes curvas.

[0005] Además, la pieza estructural debe ser estable a alta temperatura, especialmente a temperaturas superiores a 500 °C.

[0006] Finalmente, la pieza estructural debe mantenerse económica y por tanto su procedimiento de fabricación debe sencillo de realizar.

[0007] Las piezas estructurales usadas en el campo de la aeronáutica están hechas generalmente de material metálico, tal como titanio.

[0008] Sin embargo, los materiales metálicos presentan una densidad importante y una estabilidad a alta temperatura bastante baja. Sus propiedades pueden degradarse a temperaturas superiores a 400 °C, lo que limita su uso como elementos estructurales en las partes calientes de la aeronave, en las que la temperatura puede superar 500 °C.

[0009] Se usan también materiales compuestos en determinados elementos estructurales de la aeronave. Tal es el caso por ejemplo de los elementos de sustentación que pueden incluir carbono impregnado de una resina de polímero. Aunque menos densos que los materiales metálicos, estos materiales compuestos dejan de ser estables a temperaturas superiores a 150 °C.

[0010] El documento FR 3001409 describe un procedimiento de fabricación de un material de núcleo de tipo nido de abeja de material cerámico. Una estructura fibrosa tejida está impregnada de una resina precursora de cerámica, y después se despliega en un utillaje de mantenimiento para dar a la estructura una forma curvada. Finalmente, la resina de la estructura fibrosa se polimeriza de manera que forma una estructura de celdillas curvada.

[0011] Sin embargo, dicho procedimiento no produce entera satisfacción. De hecho, es muy difícil preparar con este procedimiento piezas que presenten geometrías complejas, como diversas variaciones de curvatura y curvaturas de radios pequeños. Además, resulta complejo fijar directamente por adhesión revestimientos compuestos en esta estructura de celdillas, ya que ningún adhesivo garantiza una resistencia mecánica suficiente a alta temperatura entre un material cerámico y un revestimiento compuesto con una superficie tan baja de adhesión entre las paredes de la estructura de celdillas y el revestimiento compuesto.

[0012] El documento WO 2016/181073 describe un panel compuesto que comprende una estructura en sándwich formada por un núcleo central que presenta una estructura de celdillas primaria del tipo nido de abeja, incluida en modo sándwich entre dos revestimientos, comprendiendo la estructura de celdillas primaria una red de celdillas principales, estando el panel compuesto caracterizado porque comprende una pluralidad de clavijas, estando cada clavija, por una parte, dispuesta para alojarse y cooperar en el interior de una celdilla principal y, por otra parte, formada por una estructura de celdillas secundaria que comprende una red de celdillas secundarias, y porque comprende al menos una zona de curvatura, estando las clavijas localizadas en dicha zona de curvatura.

[0013] Un objeto de la invención es obtener una pieza estructural para aeronave que sea ligera y de forma adaptable a la geometría de uso, a la vez que es muy estable mecánicamente a alta temperatura. Para este fin, la invención tiene por objeto una estructura en nido de abeja según la reivindicación 1.

[0014] La estructura en nido de abeja según la invención puede comprender una o varias de las características de las reivindicaciones 2 a 12, tomadas de forma aislada o según cualquier combinación técnicamente posible.

[0015] La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de fabricación de una estructura en nido de abeja según la reivindicación 13.

[0016] El procedimiento según la invención puede comprender una o varias de las características de las reivindicaciones 14 y 15, tomadas de forma aislada o según cualquier combinación técnicamente posible.

[0017] La invención se entenderá mejor tras la lectura de la siguiente descripción, dada únicamente a modo de ejemplo y hecha con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es una vista esquemática en perspectiva de una primera pieza estructural de aeronave según la invención que comprende una estructura en nido de abeja;

- la figura 2 es una vista desde arriba de la estructura en nido de abeja de la primera pieza según la invención, de manera que los revestimientos se han omitido de la vista;

- la figura 3 es una vista en sección transversal según el eje MI-MI de la estructura representada en la figura 2;

- la figura 4 es una vista parcial esquemática en perspectiva de una celdilla que comprende un reborde según una realización particular;

- la figura 5 es una vista esquemática de la pared de una celdilla según una realización particular; y

- la figura 6 es una vista esquemática de una segunda pieza estructural según la invención.

[0018] En la figura 1 se representa esquemáticamente una primera pieza estructural 10 según la invención.

[0019] La pieza estructural 10 está destinada a ser montada en particular en una parte caliente de una aeronave, en particular en el motor o a la salida de una tobera.

[0020] La pieza estructural 10 incluye un cuerpo de base 12 y al menos un revestimiento 14 añadido en el cuerpo de base 12.

[0021] El cuerpo de base 12 es una estructura en nido de abeja 16, comúnmente denominada también «estructura NIDA».

[0022] La estructura en nido de abeja 16 presenta una primera cara 18 y una segunda cara 20, como puede verse en la figura 3. En el ejemplo representado en esta figura, la primera cara 18 y la segunda cara 20 son sustancialmente paralelas una con respecto a la otra. Así, la pieza estructural 10 es plana, al menos en la región ilustrada.

[0023] La estructura en nido de abeja 16 incluye una pluralidad de celdillas 22.

[0024] Cada celdilla 22 presenta un eje central AA'.

[0025] Cada celdilla 22 presenta una sección transversal tomada en perpendicular al eje central A-A' en forma de polígono, en este caso hexagonal.

[0026] Cada celdilla 22 presenta una pared periférica 26. Cuando la celdilla 22 presenta una sección transversal poligonal, cada pared 26 comprende una pluralidad de lados 28 adyacentes unos con otros.

[0027] En la primera realización representada en la figura 2, cada pared 26 comprende seis lados 28.

[0028] Un lado 28 es generalmente común a dos celdillas 22 vecinas. Un lado 28 puede pertenecer a una sola celdilla 22 cuando dicha celdilla 22 se sitúa en el borde de la estructura en nido de abeja 16.

[0029] Cada lado 28 presenta una altura H y un grosor E^p. La altura H es la dimensión del lado 28 según el eje A-A'. El grosor E^pes la dimensión del lado 28 según una dirección normal al lado 28.

[0030] Según una realización particular representada en la figura 5, la pared 26 de al menos una de las celdillas 22 presenta al menos un rebaje 30. Preferentemente, cada lado 28 presenta al menos un rebaje 30.

[0031] El área total del o de los rebajes 30 presentes en el lado 28 está comprendida ventajosamente entre el 1% y el 5% del área de dicho lado 28. Así, es posible reducir la densidad de la estructura de celdillas, sin poner en riesgo sin embargo la integridad mecánica.

[0032] El rebaje 30 comprende por ejemplo un corte, un orificio redondo o cualquier otro tipo de rebaje. El rebaje 30 atraviesa la pared 26 en todo su grosor E^p.

[0033] La pared 26 delimita interiormente en la celdilla 22 una cavidad pasante 32 que presenta una sección transversal que presenta un área máxima Aa.

[0034] La cavidad pasante 32 desemboca en la primera cara 18 de la estructura en nido de abeja 16 en una primera abertura 34. Desemboca en la segunda cara 20 de la estructura en nido de abeja 16 en una segunda abertura 36.

[0035] Al menos una celdilla 22 incluye al menos un reborde 38.

[0036] El reborde 38 forma una pieza única con la pared 26 de la celdilla 22, es decir, la pared 26 y el reborde 38 están hechos de un solo componente.

[0037] El reborde 38 sobresale con respecto a la pared 26 hacia el eje central A-A' en una de las aberturas 34, 36. Ventajosamente, cada celdilla 22 incluye un primer reborde 38A en saliente en la primera abertura 34 y un segundo reborde 38B en saliente en la segunda abertura 36.

[0038] El primer reborde 38A y el segundo reborde 38B definen entre sí una región intermedia de la pared 26. Ventajosamente, el grosor Ep de la pared 26 en dicha región intermedia es constante y está comprendido entre 0,2 milímetros y 1,0 milímetros. En particular, el grosor Ep en la región intermedia es superior o igual a 0,40 milímetros y menor o igual a 0,60 milímetros.

[0039] En la realización representada en la figura 3, el área de la sección transversal de la cavidad pasante 32 es constante y máxima en la región intermedia.

[0040] El reborde 38 obtura solo parcialmente la abertura 34, 36. El reborde 38 desemboca al menos parcialmente en dicha abertura 34, 36 definiendo una luz central.

[0041] El reborde 38 se extiende continuamente en toda la periferia de la abertura 34, 36.

[0042] El área Ar de la sección transversal del reborde 38 tomada perpendicularmente al eje A-A' en la abertura 34, 36 está comprendida entre el 1% y el 75% del área máxima Aa de la sección transversal de la cavidad pasante 32.

[0043] Preferentemente, el área Ar de la sección transversal del reborde 38 en la abertura 34, 36 está comprendida entre el 30% y el 50% del área máxima Aa de la sección transversal de la cavidad pasante 32. El reborde 38 crea así una superficie de apoyo suficiente para facilitar la adhesión del revestimiento 14 en el cuerpo de base 12, sin aumentar de forma excesiva la densidad de la estructura en nido de abeja 16.

[0044] El reborde 38 presenta un grosor Er máximo medido perpendicularmente al eje central A-A' en la abertura 34, 36.

[0045] El reborde 38 presenta asimismo una altura hr máxima medida en paralelo al eje A-A'.

[0046] Preferentemente, el reborde 38 presenta un grosor Er máximo menor o igual al 100% de la altura hr del reborde 38, preferentemente menor o igual al 80% de la altura hr del reborde 38.

[0047] Esta relación garantiza un compromiso entre el mantenimiento de la integridad mecánica del reborde 38 y la minimización de la densidad de la estructura en nido de abeja 16.

[0048] La estructura en nido de abeja 16 presenta una densidad superior o igual a 0,46 e menor o igual a 0,69, a la vez que se conservan buenos rendimientos mecánicos.

[0049] El reborde 38 presenta preferentemente un perfil que se afila hacia su borde libre, en dirección al eje central A-A'. El reborde 38 presenta por ejemplo un perfil biselado o un perfil redondeado.

[0050] En la realización representada en particular en la figura 4, cada reborde 38 presenta varias caras delimitadas por dos aristas 42.

[0051] La pared 26 y el reborde 38 que forman una pieza única con la pared 26 definen respectivamente una superficie exterior 44, 46 en la cara 18, 20.

[0052] La superficie exterior 44 de la pared 26, formada por el corte de la pared 26, está alineada con la superficie exterior 46 del reborde 38. Por «está alineada» se entiende que la transición entre la superficie exterior 44 de la pared 26 y la superficie exterior 46 del reborde 38 está desprovista de arista o de relieve.

[0053] Según el ejemplo representado en la figura 3, la superficie exterior 44 de la pared 26 y la superficie exterior 46 del reborde 38 definen un apoyo plano continuo sobre la cara 18, 20. La presencia del reborde 38 aumenta el área disponible para el apoyo de los revestimientos 14 en las caras 18, 20, asegurando una superficie mayor de adherencia para la fijación de los revestimientos 14 en el cuerpo de base 12.

[0054] La estructura en nido de abeja 16 está hecha ventajosamente de un material cerámico o de una mezcla de materiales, siendo al menos uno de los materiales de la mezcla un material cerámico.

[0055] El material cerámico se elige por ejemplo en el grupo constituido por alúmina, hidroxiapatita, mullita y circona.

[0056] Las paredes 26 de las celdillas 22 y el o los rebordes 38 se obtienen preferentemente por estereolitografía.

[0057] La pieza estructural 10 incluye un primer revestimiento de superficie 14A que se extiende sobre la primera cara 18 de la estructura en nido de abeja 16 y un segundo revestimiento 14B que se extiende sobre la segunda cara 20.

[0058] En este ejemplo cada revestimiento 14A, 14B es un revestimiento compuesto. El revestimiento compuesto es principalmente de tipo Ox/Ox.

[0059] Por «revestimiento compuesto de tipo Ox/Ox» se entiende un revestimiento hecho por tejido de una estructura fibrosa de fibras de óxido, por ejemplo, de fibras de alúmina (A^Oa) reforzada por una matriz cerámica, por ejemplo, una matriz de geopolímero.

[0060] El revestimiento 14 compuesto se fija en al menos una de las caras 18, 20 en la que está alineado al menos un reborde 38.

[0061] A continuación, se describirá un procedimiento de fabricación de la estructura en nido de abeja 16 según esta primera realización.

[0062] Inicialmente, se prepara una mezcla que comprende un polvo cerámico y una resina orgánica fotosensible.

[0063] El polvo cerámico se elige ventajosamente en el grupo constituido por polvos de alúmina, circona, hidroxiapatita y mullita y por cualquier otro polvo que permita obtener otras propiedades físicas deseadas.

[0064] Preferentemente, el polvo cerámico no absorbe los rayos ultravioleta. La cinética de polimerización de la resina orgánica es así suficiente para una fabricación industrial de la estructura en nido de abeja 16.

[0065] A continuación, se fabrica una estructura en nido de abeja 16 que comprende una pluralidad de celdillas 22 por estereolitografía preparando cortes sucesivos de la estructura 16 entre la primera cara 18 y la segunda cara 20.

[0066] Como se indica anteriormente, esto implica la formación de cada celdilla 22 que comprende una pared 26 que delimita una cavidad pasante 32 que desemboca en una primera cara 18 y una segunda cara 20 respectivamente en una primera abertura 34 y de una segunda abertura 36. Al menos una celdilla 22 comprende un reborde 38 que forma una pieza única con la pared 26 y en saliente de dicha pared 26 en al menos una de las aberturas 34, 36. El reborde 38 se realiza directamente con la pared 26 durante la etapa de estereolitografía.

[0067] Durante esta etapa de fabricación, la resina orgánica fotosensible es fotopolimerizada por un haz de láser ultravioleta y la estructura en nido de abeja 16 se realiza mediante capas sucesivas a partir de un modelo informático.

[0068] La estructura en nido de abeja 16 obtenida se limpia a continuación con un disolvente. El disolvente es inyectado por un flujo de aire en el interior de las cavidades pasantes 32 a través de las luces. La etapa de limpieza permite retirar toda traza de mezcla que no se haya polimerizado.

[0069] Posteriormente, la estructura en nido de abeja 16 experimenta una etapa de desunión térmica en el curso de la cual el material orgánico se degrada térmicamente.

[0070] La etapa de desunión se lleva a cabo en atmósfera inerte a una temperatura comprendida entre 800 °C y 1.200 °C.

[0071] A continuación, se calienta la estructura en nido de abeja 16 con oxígeno a una temperatura comprendida entre 1.500 °C y 1.800 °C para efectuar una sinterización. La etapa de sinterización permite densificar la estructura en nido de abeja 16 y reducir así la tasa de porosidad. Ventajosamente, la tasa de porosidad de la estructura 16 después de la etapa de sinterización es menor o igual al 1%. Cuanto más baja es la tasa de porosidad, mejores son la tenacidad y la dureza de la estructura en nido de abeja 16.

[0072] A continuación, se coloca un revestimiento compuesto 14 en una cara 18, 20 de la estructura en nido de abeja 16 en la que está alineado un reborde 38. El revestimiento 14 está en contacto con la superficie de apoyo 44, 46.

[0073] Posteriormente, la pieza estructural 10 se somete a una etapa de calentamiento para enrigidecer el revestimiento 14 y fijarlo en la estructura 16. La presencia del reborde 38 asegura así en la cara 18, 20 un apoyo de área suficiente para asegurar la unión entre la estructura en nido de abeja 16 y el revestimiento compuesto 14.

[0074] La etapa de fijación del revestimiento 14 en la cara 18, 20 de la estructura en nido de abeja 16 está así desprovista de una etapa intermedia de adición de adhesivo.

[0075] En una segunda realización representada en la figura 6, al menos una de las caras 18, 20 es curva.

[0076] Preferentemente, dicha cara 18, 20 presenta un radio de curvatura comprendido entre 30 milímetros y 100 milímetros, preferentemente comprendido entre 40 milímetros y 60 milímetros.

[0077] Según una realización particular, cada cara es curva, presentando cada cara preferentemente un radio de curvatura comprendido entre 30 milímetros y 100 milímetros, preferentemente comprendido entre 40 milímetros y 60 milímetros.

[0078] Según una realización particular, al menos una de las caras presenta una estructura de paraboloide hiperbólico, también conocida con el nombre de estructura de «silla de montar».

[0079] La superficie exterior 44 de la pared 26 y la superficie exterior 46 del reborde 38 en saliente de dicha pared 26 definen una superficie de apoyo curva y lisa, de manera que el revestimiento 14 está en contacto con la integridad de la superficie de apoyo 44, 46.

[0080] Como variante, el área de la sección transversal de la cavidad pasante 32 no es constante a lo largo del eje A-A' en la región intermedia situada entre los rebordes 38. Por ejemplo, el área de la sección transversal de la cavidad pasante 32 en la primera cara 18 es inferior al área de la sección transversal de la cavidad pasante 32 en la segunda cara 20.

[0081] La pieza estructural 10 adopta así formas geométricas complejas, comprendiendo especialmente varios radios de curvatura. Gracias al procedimiento de fabricación según la invención, la pieza estructural 10 sigue siendo sencilla de fabricar y sus formas pueden ajustarse según las funciones a las que está destinada.

[0082] La pieza estructural 10 es además capaz de resistir temperaturas elevadas, especialmente superiores a 500 °C. Por tanto, es especialmente apta para ser colocada en las partes calientes de la aeronave, como el motor o la salida de una tobera.

[0083] La presencia de un reborde 38 en la estructura en nido de abeja 16 mejora la aplicación y la fijación de los revestimientos compuestos 14 en la estructura. La pieza estructural 10 así obtenida conserva una densidad baja, a la vez que se conservan rendimientos mecánicos compatibles con las exigencias del campo de la aeronáutica.

[0084] La estructura en nido de abeja 16 puede servir también de material de núcleo en un panel acústico de una góndola de una aeronave.

Claims

REIVINDICACIONES

I. Estructura en nido de abeja (16) de material cerámico que comprende una pluralidad de celdillas (22), comprendiendo cada celdilla (22) una pared periférica (26) que delimita una cavidad pasante (32), de manera que la cavidad pasante (32) desemboca en una primera cara (18) y en una segunda cara (20) respectivamente en una primera abertura (34) y en una segunda abertura (36), en la que al menos una celdilla (22) comprende un reborde (38) que forma una pieza única con la pared (26) de la celdilla (22) y en saliente a partir de dicha pared (26) en al menos una de las aberturas (34, 36).
2. Estructura (16) según la reivindicación 1, en la que la pared (26) y el reborde (38) que forma una pieza única con dicha pared (26) presentan cada uno una superficie exterior (44; 46) en la abertura (34; 36), de manera que la superficie exterior (44) de la pared (26) está alineada con la superficie exterior (46) del reborde (38).
3. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en la que el reborde (38) obtura solo parcialmente la abertura (34; 36).
4. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el área (A^r) de la sección transversal del reborde (38) tomada en la abertura (34; 36) está comprendida entre el 1% y el 75% del área máxima (A^a) de la sección transversal de la cavidad pasante (32), preferentemente entre el 30% y el 50% del área máxima (A^a) de la sección transversal de la cavidad pasante (32).
5. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el reborde (38) presenta un perfil cónico hacia su borde libre.
6. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el reborde (38) presenta un grosor (E^r) máximo menor o igual al 100% de la altura (h^r) del reborde (38), preferentemente menor o igual al 80% de la altura (h^r) del reborde (38).
7. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que cada celdilla (22) presenta una sección transversal poligonal, preferentemente hexagonal.
8. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que al menos una de la primera cara (18) y de la segunda cara (20) es curva, presentando dicha cara (18; 20) ventajosamente un radio de curvatura de al menos 40 milímetros.
9. Estructura (16) según la reivindicación 8, en la que cada cara (18; 20) es curva, presentando cada cara (18; 20) ventajosamente un radio de curvatura de al menos 40 milímetros.
10. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la pared (26) de al menos una de las celdillas (22) presenta al menos un rebaje (30).
I I . Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que las paredes (26) de las celdillas (22) y el o los rebordes (38) se obtienen por estereolitografía.
12. Estructura (16) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la que se fija un revestimiento (14) compuesto en al menos una de las caras (18; 20) en la que está alineado al menos un reborde (38), estando el revestimiento (14) unido a cada reborde (38).
13. Procedimiento de fabricación de una estructura en nido de abeja (16) de material cerámico que comprende las etapas siguientes:

- suministro de una mezcla que comprende un polvo cerámico y una resina orgánica fotosensible, y

- fabricación por estereolitografía de la estructura en nido de abeja (16) que comprende una pluralidad de celdillas (22), comprendiendo cada celdilla (22) una pared (26) que delimita una cavidad pasante (32) que desemboca en una primera cara (18) y en una segunda cara (20) respectivamente en una primera abertura (34) y de una segunda abertura (36), comprendiendo al menos una celdilla (22) un reborde (38) que forma una pieza única con la pared (26) y en saliente de dicha pared (26) en al menos una de las aberturas (34; 36).
14. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 13, que comprende además las etapas siguientes:

- limpieza de la estructura (16) con un disolvente,

- desunión térmica, y

- sinterización térmica.
15. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 14, que comprende una etapa ulterior de fijación de un revestimiento (14) compuesto en al menos una de las caras (18; 20) en la que está alineado al menos un reborde (38), estando el revestimiento (14) unido a cada reborde (38).